浅谈GCC预编译头技术

文/jorge

——谨以此文，悼念我等待MinGW编译时逝去的那些时间。

其实刚开始编程的时候，我是丝毫不重视编译速度之类的问题的，原因很简单，因为那时我用BASICA。后来一直用到C++ Builder，尽管Borland的广告无时无刻不在吹嘘其编译速度，我却从没有对这个问题上心过，因为心里根本没有“编译速度慢”这种概念。没有坏，哪来好？所谓矛盾的对立统一。遇到的第一个“慢”的编译器也许是javac，但因为Java的特殊性，也就容忍了。真正接触到世间的“恶势力”，还要算是第一次使用GCC的时候……准确地说是MinGW。开源世界曾给我诸多惊喜，其一就是原来编译器也可以这么慢的。那时我不禁对开源社区肃然起敬，他们就用这样的编译器，建立起了怎样一个多彩的世界！也在那时才明白了，Borland其实真的很了不起。

时至今日我也不是很了解Borland是怎么做到的，很久以来也不知道GCC是差在了哪里。然而……有一次心血来潮，忽然想看看 MinGW编译过程中加载的所有头文件。于是用了一下 -H 参数。结果是满意的，加载的头文件真多呀。接下来……开始感觉到另外的一些东西了。敢情，大部分编译时间是浪费在这里的呀？——“预编译头”的概念如鲸鱼般跃出脑海。

预编译头技术是在VC中第一次了解的，其对编译速度的提高，绝对给人以深刻的印象。使用MinGW的时候居然忘了这个古老的咒语。是否正是我所需要的？百度几下，结果令人失望，这方面的文献少得可怜，更令人沮丧的是还有不少人相信GCC是没有预编译头技术的。贼心不死的我打开 GCC官方文档，查找precompiled headers。慢着，居然如此顺利！——官方文档讨论篇幅并不长，但足以让我喊万岁了~不用多，一句话就够了，怎么说来着？Simply compile it!

所谓预编译头，就是把头文件事先编译成一种二进制的中间格式，供后续的编译过程使用。不要把这个中间格式与. o/.obj/.a/.lib的格式混淆，他们是截然不同的，所以预编译头文件的特性和目标文件也不同（尽管他们都属于某种中间文件）。——但也有类似的地方的，比如，它们都是编译器之间不兼容的^_^，就是说你不能把VC生成的预编译头拿到GCC上去用。甚至扩展名都不一样，VC的是大家都熟悉的. pch，而GCC的，是.gch——今天的主角。

为什么要使用预编译头？再明确不过了，提高编译速度。为什么会提高编译速度？这么说吧，你有两个文件a.cpp和b.cpp，都包含了同一个头文件c.h。那么正常的流程是：将c.h和a.cpp合并，编译成a.o；将c.h和b.cpp合并，编译成b.o；最后将a.o和b.o链接成可执行文件。过程很简单，浪费时间之处也一目了然：头文件c.h的内容实际上被解析了两遍。也许你要说，当然要两遍了，因为头文件几乎是不生成任何代码的，只有依附于具体的.cpp文件才有意义。正确，但那只是在代码执行过程中。但在代码编译的时候呢？编译器读入源代码，首先将其解析成为一种内部的表示方式。这个过程与其所依附的.cpp文件并无关系，编译器接着可以读入.cpp文件并同样解析成内部表示，然后把两段内部表示拼接起来，再进行接下来的操作。既然编译两个.cpp文件都要先对c.h进行解析，那干嘛不把c.h解析好了保存成临时文件，用时读入，不就可以省了一次解析的时间了吗？——预编译头技术节省时间的原理正在于此，尤其是在这样一个事实下：对源代码的“解析”这个步骤，确实是占了编译时间中很可观的一部分。

我看见你满是狐疑的脸：预处理，就是编译之前的处理，合并.h和.cpp文件分明是预处理的步骤，而解析源代码是编译之中的步骤，先解析后合并？怎么“预”处理反而跑到编译步骤之后了？这还叫“预”吗？——这个问题我们决定不深究了，毕竟现在的编译器早就混淆了预处理与编译的界限……毕竟，这么做是管用的，对吗？

我们来看看结果。写一个C++的Hello world，使用cout输出一行字。包含了什么头文件？当然是iostream。这个头文件对于人们来说，绝对是熟视无睹级别的。然而使用它的时候，你注意到编译器幕后的累累“罪行”了吗？是的，用 -H 参数编译一下这个Hello world吧！看看总共加载了多少个头文件？我的机器上，总共103个！

是的，你应该将它们做成一个.gch文件。如何做？如前所述，再简单不过：只要编译它就可以了：

g++ xxx.h

一句话，就是：把.h文件当成.cpp文件一样来编译。这是最简单的，如果需要控制编译细节，比如常量定义之类，大可加上其它选项。运行之后，你会发现同个目录里生成了一个名叫xxx.h.gch的文件，这就是我们要的。也许你和我一样，迫不及待地尝试g++ iostream了？呵呵，结果一定是和我一样的失败——在编译.gch的过程中，GCC并没有使用环境变量或 -I 选项来查找被编译的头文件，被编译的头文件必须在当前目录下。然而，被编译的头文件所进一步包含的其它头文件，却可以通过以上途径找到。简言之，就是把直接编译的那个头文件以类似对待.cpp文件的方式处理了。现在知道该如何编译iostream了吧？对，在当前目录里建立一个头文件，起个随你喜欢的名字，比如foo.h，在其里面写上：#include <iostream>，然后编译它：g++ foo.h。生成的foo.h.gch，就是我们要的了。其它文件需要用到iostream的，不要包含iostream，要包含foo.h。切记，不是去包含foo.h.gch！

如果你用过VC，那么这个foo.h也许会让你找到一种似曾相识的感觉吧？对了，就相当于那个 stdafx.h！那么你也该记得，每个文件包含这个foo.h，都应该在文件一开始的地方，否则会出错。真的，终于找到了GCC中的stdafx.h，这种感觉几乎让人热泪盈眶了^_^

那么接下来，照搬一些stdafx.h相关的注意事项吧，它们同样适用于.gch文件：应该把那些不常修改的（首当其冲，当然是系统的）头文件放在预编译头里，而那些属于你的程序的一部分的头文件，一般并不放在预编译头里，因为它们可能随时要被修改的。每修改一次就要重新生成预编译头，并没有速度优势可言，失去预编译头的意义了。另外重要的注意事项是：如果你生成预编译头的时候用了一些选项，比如宏定义，那么使用这个预编译头的其它源代码文件，被编译的时候也要使用这些选项，否则会因为不匹配而编译失败。

对了，说了半天，从来没有正面讲过如何使用已经生成的预编译头。然而看到这里也该明白了，是的，很简单，只要包含其所对应的.h文件即可！比如你有个头文件叫foo.h，另外有一大堆其它文件都包含了这个foo.h，原来没有使用预编译头技术，现在忽然想使用了，于是把foo.h编译成了foo.h.gch。那其它文件要做怎样的修改？——什么都不用，一切照旧！聪明的GCC编译器在查找一个.h文件之前，会自动查找其目录里有没有对应的.gch文件，如有，且可用，则用之；没有，才用到真正的.h头文件。——慢着，“如有，且可用”，什么叫“可用”？——就是指这个.gch格式要正确，版本要兼容，而且如上所述，编译两者要用同样的选项。如果.gch不可用，编译器会给出一条警告，告诉我们：这个预编译头不能用！我只好用原有的.h 头文件啦！什么？你说看不到这个警告？——当然，要先打开 -Winvalid-pch 选项才行，其默认是关闭的。

用 -H 选项感受一下预编译头的清爽吧！再没有滚不完的头文件了，明显提高的速度，绝对会让你有种翻身解放的感觉，原来MinGW也可以和蜗牛般的速度说再见的。

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